Pictures of the Future    Frühjahr 2007

Fast nur Strom

Wellpappe hat viele gute Eigenschaften. Sie schützt Zerbrechliches und ist leicht und billig. Dass sie eines Tages Vorbild für eine Revolution in der Energieerzeugung sein würde, konnte Albert Jones nicht ahnen, als er 1871 zwei Lagen Papier mit einer schlangenförmig dazwischen geklebten Pappschicht zum US-Patent anmeldete. Doch was bei Horst Greiner, Brennstoffzellen-Experte bei Siemens Corporate Technology in Erlangen, auf dem Schreibtisch liegt, sieht genauso aus wie Jones’ Erfindung, nur größer und nicht so biegsam. Mit diesem Stapel aus Keramik sollen keine Gegenstände eingepackt, sondern Wasserstoff und Luft zusammengeführt werden, um Strom zu erzeugen.

In einer Brennstoffzelle (BZ) verbrennen die Gase nicht wie in einem Schweißbrenner, sondern werden in einer elektrochemischen Reaktion zu Wasser umgesetzt. Dabei werden Elektronen frei –es entsteht Strom. Im Prinzip ähnelt dies einer Autobatterie, jedoch mit keramischen Materialien und bei Temperaturen bis zu 950 °C (siehe Leise Revolution in Pictures of the Future, Frühjahr 2002). "In Kombination mit einer Gasturbine wird eine Brennstoffzelle einen elektrischen Wirkungsgrad bis zu 70 % erreichen", sagt Horst Greiner. Zum Vergleich: Das derzeit beste Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk liegt bei 58 % (siehe Maßnahmen bei Energiegewinnung und
-verteilung). Mit Leistungen von einigen Megawatt könnten BZ-Kraftwerke künftig dezentrale Verbraucher und kleine Städte mit 10 000 Einwohnern mit Strom versorgen.

Makkaroni oder Wellpappe? Bis es so weit ist, ist noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten. Der Keramikstapel mit Wellpappendesign arbeitet bisher nur im Labor und wird erst in der übernächsten Generation der Siemens-BZ-Kraftwerke – voraussichtlich 2012 – eingesetzt. Heute, im Jahr 2007, sehen die Keramikteile eher wie riesige graue Makkaroni aus. Greiner schichtet mehrere solcher Röhren neben- und aufeinander und zeigt, warum diese Form nicht optimal ist: "Dazwischen ist zu viel Leerraum." Drückt man die Röhren platt, ist der Platz schon besser ausgenutzt, baut man schräge Verbindungsstege in Delta-Form und schichtet mehrere Lagen übereinander, kommt man zwangsläufig zur Wellpappe. Sie bietet die beste Raumausnutzung und maximale Austauschfläche zwischen Wasserstoff und Luft. Das Delta-Design liefert mehr als die doppelte Leistung als eine zylindrische Zelle – bei vermindertem Raumbedarf. Abhängig vom Stackdesign können Leistungsdichten bis 600 mW/cm³ erzielt werden.

Doch auch die Keramikröhren haben bewiesen, dass man mit ihnen zuverlässig Strom erzeugen kann. 32 000 Stunden hat ein 100-kW-Kraftwerk bereits abgespult, das derzeit in Turin steht und zuvor zwei Jahre in den Niederlanden und ein halbes Jahr in Essen im Dienst war. "Mit dieser Anlage haben wir eine Verfügbarkeit von 99,5 % erreicht", sagt Dr. Joachim Hoffmann, Programmleiter für stationäre Brennstoffzellen bei Siemens Power Generation in Nürnberg. Nicht schlecht für eine Technologie, der zwar eine hohe Effizienz bescheinigt wird, aber bislang eine geringe Zuverlässigkeit.

An diesem Vorurteil sei was dran, meint Hoffmann. Viele Mitbewerber scheiterten, weil die Brennstoffzelle zwar im Labor funktionierte, aber nicht im harten Alltagsbetrieb. Einige Firmen mussten schon aufgeben. Nicht so Siemens: Schon vor 40 Jahren haben BZ-Experten von Westinghouse, das seit 1997 zu Siemens gehört, geeignete Materialien untersucht und Ende der 70er-Jahre in Pittsburgh die erste SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) gebaut. "Das Know-how für diese Fertigungstechnologie schüttelt man nicht einfach aus dem Ärmel", sagt Hoffmann. Andere SOFC-Hersteller bauen planare Brennstoffzellen mit Metallträgern. Alle diese Wettbewerber haben derzeit Alterungsprobleme bei der langen Betriebszeit. Siemens setzt bei den Zellen auf reine Keramik, die bei über 1 500 °C gebrannt wird. Ob sie dann später mit 900 oder 1000 °C betrieben werden, ist egal – der bei anderen Bauarten gefürchtete Leistungsverlust beträgt bei den Zellen aus Pittsburgh und Erlangen nur 0,1 % je 1000 Betriebsstunden. Auch der Wirkungsgrad von über 43 % bleibt in einem weiten Temperatur- und Lastbereich stabil. "Wir rechnen bei den Delta-Zellen mit einer Lebensdauer von mindestens 20 Jahren", sagt Thomas Flower, Leiter der BZ-Aktivitäten in Pittsburgh. Flower ist überzeugt, dass das Siemens-Konzept schneller marktreif ist als andere, auch wenn in Zukunft für unterschiedliche Anwendungen verschiedene Bauarten nebeneinander existieren werden.

Aber auch bei Siemens/Westinghouse lief in der Vergangenheit nicht alles rund. So sollte vor zehn Jahren erstmals eine Brennstoffzelle mit einer Gasturbine gekoppelt werden. Die Abgasreste des Brenngases Wasserstoff sollten verfeuert werden und in der Gasturbine Strom erzeugen. Die Turbine hätte zudem verdichtete Luft geliefert, mit ihrer Abwärme erhitzt und unter Hochdruck in die Zellen gepresst. "Dann wäre fast nur noch Strom heraus gekommen, kaum noch Wärme", schwärmt Greiner. Doch daraus wurde erst einmal nichts. 2002 legten Siemens und der Energieversorger EnBW ihr Projekt auf Eis. "Wir wollten ein marktnahes Demonstrationskraftwerk, aber das war damals noch nicht machbar", sagt Dr. Wolfram Münch, Bereichsleiter für Forschung, Entwicklung und Demonstration bei EnBW in Karlsruhe.

In Kleinstarbeit zum Kraftwerk. Der wesentliche Knackpunkt war die Gasturbine. In der niedrigen Leistungsklasse von 200 bis 300 kW gab es damals kein passendes Modell auf dem Markt, und eine Neuentwicklung hätte 15 Mio. € verschlungen. Da kam vor zwei Jahren das Angebot des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gerade recht, auf Basis einer 100-kW-Mikrogasturbine eines italienischen Herstellers zusammen mit dem Institut für Luftfahrtantriebe der Universität Stuttgart die nötige Steuerung für die Kopplung mit der Brennstoffzelle weiter zu entwickeln. Einzige Voraussetzung: Ein BZ-Hersteller und ein Energieversorger sollten mit im Boot sein. "Die Kontakte zu Siemens wurden wieder aufgenommen, und wir waren uns schnell einig, erneut mitzumachen", sagt Münch. Die EnBW will mit den effizienten Kraftwerken speziell die Bedürfnisse von Industrie, Stadtwerken und Kommunen befriedigen, die Strom für eigene Zwecke erzeugen möchten. Der Karlsruher Energieversorger würde dann als Betreiber und Energiedienstleister agieren.

Der neue Zeitplan ist eng: 2008 will die DLR in einer Simulation prüfen, ob Brennstoffzelle und Gasturbine harmonieren, 2009 sollen die realen Komponenten gekoppelt werden. Danach werden diese optimiert, und 2012 soll ein Demonstrationskraftwerk im Netzgebiet der EnBW entstehen. Seine Leistung: 2 bis 4 MW Strom, wobei die Brennstoffzelle mit etwa 75 % den Löwenanteil beisteuert. Ob diese Kombination schon die angepeilten 70 % beim elektrischen Wirkungsgrad schafft, ist noch nicht sicher. Auf jeden Fall sollen bereits die Keramikzellen mit dem Wellpappen-Design zum Einsatz kommen.

Brennstoffzelle für Tropenflair. Die Vergangenheit lehrt, dass man nicht zu viele Schritte auf einmal machen sollte. Deshalb will Siemens auch kleinere BZ-Kraftwerke ohne Gasturbine bauen, um zusätzliche Betriebserfahrungen zu sammeln. 2007 gehen drei Anlagen mit einer Leistung von je 125 kW in Betrieb. Eine steht bereits in Hannover – eine Kooperation mit den Stadtwerken und dem Energieversorger E.ON – die beiden anderen gehen nach Tokio und Fairbanks, Alaska. 2008 soll in Turin bei der Siemens-Tochter TurboCare ein Kraftwerk der nächsten Generation entstehen. Das hier verwendete Material besitzt eine höhere Leitfähigkeit – es wird bei gleichem Volumen Leistungen von 150 kW erlauben und über 47 % Wirkungsgrad erreichen. Parallel dazu werden bei ausgewählten Kunden kleine Anlagen mit 5 kW aufgestellt. Zwei versorgen Gebäude der Deutschen Telekom in Steinfurt und Bonn. Drei weitere arbeiten in den USA, etwa im botanischen Garten in Pittsburgh, wo die Anlage den Strom für die Klimatisierung des Tropenwaldhauses liefert.

Ebenfalls auf der Agenda stehen alternative Brennstoffe, wie etwa Bio- oder Klärgas, das in Kläranlagen kostenlos anfällt. BZ-Hybridkraftwerke sind da wenig wählerisch. In den USA läuft ein Projekt für ein Hybridkraftwerk, das mit Kohlegas gefüttert werden soll. Vor der Verbrennung wird das Kohlendioxid abgetrennt. Diese CO₂-Abtrennung kostet nach Meinung der Siemens-Ingenieure bei der Brennstoffzelle nur 5 % Wirkungsgrad, bei einem herkömmlichen Kohlekraftwerk aber immerhin rund 10 %.

Finanzielle Hürden. "Wenn ein Hybridkraftwerk aus technischer Sicht zuverlässig funktioniert und wirtschaftlich ist, hat diese Technologie gute Marktchancen", sagt Wolfram Münch. Interessant für Kunden sind dezentrale Anlagen mit hoher Stromausbeute und geringem Schadstoffausstoß, für den Erfolg entscheidend aber seien letztlich die Kosten.

Einen großen Schub hat das Thema mit der "Initiative Brennstoffzelle" erhalten, in der alle großen deutschen Energieversorger, Hersteller und die Deutsche Energieagentur vertreten sind, sowie durch die langjährige Förderung durch das Bundeswirtschaftsministerium und die EU. Siemens hat in Erlangen 30 Mio. € eigene Mittel und Fördermittel in die Brennstoffzellen-Forschung investiert. Hinzu kommen die Arbeiten in Pittsburgh, die vom US-Energieministerium unterstützt werden.

Im Erfolgsfall wäre die Hybridtechnologie sogar zehn Jahre früher marktreif, als von Fachleuten erwartet wurde. Hier haben sich Mitbewerber in der Vergangenheit schon verkalkuliert, weil sie zu früh mit zu teuren Anlagen in den Markt gegangen sind. Auch ein Brennstoffzellenkraftwerk von Siemens wäre derzeit noch zu teuer. Die verschiedenen Fertigungsprozesse, die etwa bei der Zellfertigung eingesetzt werden, sind noch nicht kostenoptimiert. Da stecke noch viel Handarbeit drin und das treibe die Kosten in die Höhe, sagt Joachim Hoffmann. Doch bis 2012 soll eine automatisierte Fertigung für marktfähige Preise sorgen. Hoffmann ist optimistisch: "Der allgemeine Trend zu stetig steigenden Energiekosten spielt uns in die Hände."
                                                                                                                   Bernd Müller